帶轉換層高層建筑現狀和發展趨勢

陳  勇，趙雅娜，余  海

(西南交通大學，四川成都610031)

1.概述

    隨著經濟水平的不斷提高，我國的高層建筑也發展迅速，建筑向著體型復雜、功能多樣的綜合性方向發展，以滿足人們對建筑的不同使用要求，因而建筑的結構結構形式也越來越復雜多樣化。在使用功能上建筑往往是在上部樓層布置為住宅、酒店，中部樓層為辦公用房，下部則是大型商場、文化娛樂設施。

    從建筑功能上看，上部需要小開間的軸網布置和較多的墻體來滿足住宅和酒店的要求；中部辦公用房則可以采用較大尺寸的開間；而下部則需要盡可能大的空間，所以下部的軸網尺寸就要大，少布置墻體。從結構上來看，高層建筑下部樓層受力很大，上部樓層受力小，而正常的結構布置應該是下部剛度大，到上部可以逐漸減少墻、柱數量，這與建筑功能要求正好相反。為了滿足建筑功能的要求，結構常常需要反常規設計，將上部布置小空間，下部布置大空間；上部布置剛度大的剪力墻，下部布置剛度小的框架柱。為了實現這種結構布置，就必須在結構轉換的樓層設置水平轉換構件，即出現了轉換層結構。轉換層主要可以實現以下結構轉換。

    (1)上、下層的柱網、軸線改變。通過轉換構件使下部樓層的柱網間距擴大，這種轉換常用于外框筒的下層形成大入口。

    (2)上、下層結構形式的轉換。這種轉換形式常用于剪力墻和框架一剪力墻結構。通過轉換構件將上部的墻體轉換為下部的框架。

    (3)同時轉換軸線布置和結構形式。上部樓層的剪力墻通過轉換構件改為框架，同時轉換上、下層錯開的軸網，形成上下結構不對齊的布置。

2.常見的轉換層結構形式

    工程上應用的轉換形式多種多樣，常用的有梁式、桁架式和板式。

    2.1梁式轉換層

    梁式轉換層目前應用最為廣泛，它設計和施工簡單，受力明確，一般用于底部大空間框支剪力墻結構。當需要縱橫向同時轉換的時候，采用雙向梁布置。單向托梁、雙向托梁連同上、下層較厚的樓板共同工作，可以形成剛度很大的箱形轉換層，這一形式在鐵路工程中是常見的結構形式，而在房屋結構則很少。

    2.2板式轉換層

    當上、下柱網軸線錯開較多，而托梁難以直接轉換，則需要采用厚板，形成板式承臺轉換層。板式轉換層的下部柱網可以靈活布置，毋須與上層結構對齊。但板的傳力變得不清楚，因而板的受力也非常復雜，結構計算相對困難。從抗震性能看，板在豎向荷載和地震力作用下，不僅發生沖切破壞，而且可能發生剪切破壞，故板內必須三向配筋，這使得板式轉換層自重大，材料耗費很多。由于以上的原因，板式轉換層在國內的應用并不廣泛。

    2.3桁架式轉換層

    桁架式轉換構件傳力明確，傳力途徑清楚，但構造和施  工較復雜。桁架轉換層的自重較輕，抗側力剛度比轉換梁要小，也就意味桁架轉換層的高層建筑質量和剛度突變比梁式  轉換的高層建筑緩和，因此地震反應也相對要小。從工程實際情況來看，轉換桁架的鋼材和混凝土用量比轉換梁要經濟。另外轉換桁架不僅具備開洞與設置管道的條件，而且它們的位置與大小都有很大的靈活性，使充分利用該轉換層的建筑空間成為可能。

3.轉換層結構的研究現狀與發展趨勢

    我國在轉換層結構方面的研究以及實際工程的應用始于20世紀70年代中期，主要進行了有限元分析研究以及一些實際工程的經驗總結。通過這些研究和總結，對轉換梁的受力特征有了較為全面的認識，獲得了可靠的設計依據，并作為一種特殊的結構體系反映在規范中。從70年代中期到現在近30年的時間里，轉換層結構發展迅速，結構類型也日漸多樣化。其中，梁式轉換層由于其受力、設計以及施工方面的優勢，在工程中的應用廣泛。當前高層建筑中的轉換構件的發展趨勢主要體現在以下幾個方面。

    3.1鋼骨混凝土(型鋼混凝土)在轉換層結構中的應用

    由于建筑物的高度越來越高，相應轉換層結構中轉換構件承托的層數也越來越多，同時，建筑功能上對高層及空間的諸多限制，使得鋼骨混凝土材料的引入勢在必行。鋼骨混凝土梁不僅承載能力高，剛度好，可大大減小截面尺寸，而且塑性、耐久性和抗震性能也優于鋼筋混凝土梁。此外，鋼骨混凝土在施工階段其自身剛度好，定位準確，可減少支模，加快施工速度。目前國外采用較多。

    3.2預應力技術在轉換層結構中的應用

    采用預應力技術可帶來許多結構和施工上的好處，如減小構件截面尺寸、控制裂縫和撓度，控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔等。因此，預應力混凝土結構非常適合建造承受重荷載、大跨度的轉換結構和懸挑構件，且有自重輕、節省鋼材和混凝土的優點。隨著我國預應力技術的發展，預應力材料及施工費用的不斷下降，即使用材料等強度代換的概念從經濟上來比較預應力混凝土結構和鋼筋混凝土結構，許多情況下后者并不比前者經濟。因此，近年來我國高層建筑結構中轉換構件、懸挑構件等采用預應力技術的情況越來越多。

    3.3新型轉換層結構的應用

    搭接柱轉換、斜柱轉換、寬扁梁轉換等新型轉換層結構形式在高層建筑結構中得到應用。

    框架一核心筒結構外圍框架柱上、下不連續時，需要設置轉換結構加以過渡。實際結構中除常用轉換梁、轉換桁架、斜撐等等轉換結構形式外，也可以采用搭接柱等轉換形式。搭接轉換柱是一種新型轉換結構，在立面收進變化的高層建筑中具有十分廣闊的應用前景。馬來西亞吉隆坡石油大廈雙塔、上海金茂大廈均采用了此種轉換結構。高層建筑上部立面收進時需要設置轉換構件，上下層柱不在同一軸線上，且往往是高位轉換，轉換構件布置比較復雜，要根據結構布置的具體情況采用不同的轉換方式和轉換構件，其中常用的是斜柱轉換構件。斜柱轉換是桁架轉換的一種特殊形式，武漢世界貿易大廈、成都南洋大廈均采用了此種轉換形式。

    寬扁梁轉換結構有利于減小結構高度所占的空間，減小樓板厚度，有利于實現強柱弱梁、強剪弱彎，具有明顯的綜合技術經濟效益。工程實際中控制寬扁梁跨高比L/b≤10，寬高比6b／hb>12．5。深圳黃崗花園、深圳五洲賓館均采用了此種轉換形式。

4.轉換層在高層建筑中的布置及設計原則

    4.1轉換層在高層建筑中的布置原則

    轉換結構可以根據其建筑功能和結構傳力的需要，沿高層建筑高度方向一處或多處靈活布置(或是樓層局部布置轉換層)，且自身的這個空間既可以作為正常使用樓層，也可以作為技術設備層，但應該保證轉換層有足夠的剛度，以防止沿豎向剛度過于懸殊。

    當建筑物較高柔(如框架一核心筒結構)，整體剛度可能不足，在結構豎向的一定部位設置水平剛性樓層(加強層)，人為地加強結構的整體彎曲效應，這時轉換層可同建筑物的加強層、設備層等統一考慮。

    對大底層上部為多塔的建筑，塔樓的轉換層宜設置在裙樓的屋面層，并加大屋面梁、板尺寸和厚度，以避免中間出現剛度特別小的樓層，減小震害。

    對部分框支剪力墻高層建筑結構，其轉換層的位置，7度區不宜超過第5層；8度區不宜超過第三層。轉換層位置超過上述規定時，應作專門研究并采取有效措施。

    沿高層建筑方向轉換結構可以是分段布置，形成大框架套小框架的巨型框架結構；也可以是間隔布置，形成錯列墻梁或是桁架式框架結構；也可設置于建筑物頂部，懸掛下部結構的荷載。

    4.2帶轉換層的高層建筑結構設計原則

    帶轉換層高層建筑結構是一種受力復雜不利抗震的高層建筑結構，在9度抗震設防地區不宜采用，結構設計需遵循的原則是：

    (1)減少轉換。布置轉換層上下主體豎向構件時，要盡可能多地使上下豎向構件貫通，尤其是核心筒盡量保持上下貫通。

    (2)傳力直接。布置轉換層上下主體豎向結構時，要盡可能使水平轉換結構傳力直接，盡量避免多級復雜轉換，更應避免傳力復雜、抗震不利、不經濟合理的厚板轉換。

    (3)強化下部、弱化上部。為保證下部大空間整體結構有適宜的剛度、強度、延性和抗震性能，應盡量強化轉換層下部主體結構的剛度、弱化轉換層上部主體結構剛度，使轉換層上下部主體結構的剛度及變形特征盡量接近。

    (4)優化轉換結構。抗震設計時，當建筑功能的需要不得不采用高位轉換時，轉換結構宜優先選擇不致引起框支柱(邊柱)柱頂彎矩過大、柱剪力過大的結構形式，如斜腹桿桁架、空腹桁架和寬扁梁等。同時要注意其需滿足強度、剛度要求，避免脆性破壞。

    (5)計算全面準確。必須將轉換結構作為整體結構中一個重要組成部分，采用符合實際受力變形狀況的正確計算模型進行三維空間整體結構計算分析。采用有限元方法對轉換結構進行局部補充計算時，轉換結構以上至少取2層結構進入局部計算模型。同時應計及轉換層及所有樓層樓蓋平面內剛度，計及實際結構三維空間盒子效應，采用比較符合實際邊界條件的正確計算模型。

5.轉換層結構研究的幾方面問題

    5.1帶轉換層高層建筑結構抗震性能和抗震設計方法的研究

    高層建筑結構中，由于設置了轉換層，沿建筑物高度方向剛度的均勻性會受到很大的破壞，豎向構件不連續，導致傳力不明確，變形集中和應力集中，因此，轉換結構的抗震性能較差。如何準確建立帶轉換層高層建筑結構地震作用的計算模式有待進一步研究。

    5.2轉換層上下結構側向剛度比的描述方法和合理剛度比的研究

    目前轉換層上下結構側向剛度比是按照樓層剪切剛度比7來控制，存在以下的問題。

    (1)r中沒有考慮豎向構件的布置問題。布置在中間的剪力墻和布置在外圍的剪力墻對層剛度的貢獻是不同的，抗側剛度中彎曲剛度的作用有時是很大，不應該忽略。

    (2)特殊結構布置(如短肢剪力墻、與剪力墻相連的框支柱、斜向布置的剪力墻等)情況下剪切面積取值不明確，系數0．12也缺乏理論依據。

    (3)r不適用于梁式托柱轉換層和桁架式轉換層上下剛度比的計算。因此，采用何種剛度指標來描述轉換層上下結構側向剛度的變化以及取值范圍等有待進一步研究。

    5.3轉換層結構的過渡受力問題的研究

    在轉換層結構中同時存在強梁和弱梁、強柱和弱柱的情況。一方面轉換構件在豎向荷載作用下的內力與施工進程的加載史有關，特別是對那些考慮轉換構件與若干層結構共同工作的情況，應注意內力變化和采取相應設計措施；另一方面，在施工階段轉換構件的過渡受力應予以充分考慮。

參考文獻

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[4]陸少連.高層建筑結構轉換層結構設計綜述[c]∥第十三屆全國建筑結構學術交流會論文集．l994．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)